Mitokondrial genom 37 gen içerir. Bunlardan 13'ü solunum zincirindeki yapısal proteinleri (Nikotinamid adenin Dinükleotit Dehidrogenaz, Sitokrom C oksidoredüktaz, sitokrom C oksidaz ATP sentetaz) kodlarken, 2'si RNA ve 22'si de tRNA genlerini kodlar.

Mitokondrial DNA çekirdek DNA’sına benzemekle birlikte belirgin farklılıklar da göstermektedir.

a) 3.5 milyon kb'lik çekirdek DNA’sı yanında, 16.5 kb'lik mt-DNA çok küçük bir genoma sahiptir.

b) mt.DNA kompakt bir yapıya sahip olup intron içermez. Mt.DNA'da kodlanmayan tek bölge yaklaşık 100 baz çift uzunluğundaki D.loop bölgesidir.

c) İnsan mt-DNA’sı maternal kalıtımla geçer. Spermin sitoplazma içermemesi ve mitokondrilerinin fertilizasyona katılmayan kuyruk kısmında toplanması nedeniyle, zigotdaki mitokondriler sadece ovuma aittir. Anne tüm çocuklarına mt DNA’sını aktarırken, sadece kız çocuklar bunu ikinci kuşağa aktarır.

d) mt DNA'nın 4 kodonu nükleer DNA'dan farklı mesajlar taşır. Örneğin nükleer DNA'da "DUR" kodunu olarak görev alan AGA, mt DNA'da arginin aminoasidini kodlar.

e) Bir hücre çekirdeğinde anne ve babaya ait 2 allel gen bulunurken, her mitokondri 2-10 adet mt DNA genomu içerir. Her bir insan hücresinde yüzlerce mitokondrion olduğu düşünülürse, binlerce de mitokondrial DNA mevcut olduğu söylenebilir. Normalde bunlar tamamen identik olup genotipleri HOMOPLAZMİK'dir. Normal mt-DNA yanında mutant tiplerde mevcutsa, hücre genotipi HETEROPLAZMIK olarak adlandırılır. Heteroplazmik mt-DNA'lar yavru hücrelere düzensiz dağılım göstererek geçer. Sonuçta tekrar tekrar bölünen hücreler, saf mutant veya saf normal mt DNA'lar içeren genotipe dönüşebilirler.

f) mt-DNA’nın evrim hızı nükleer DNA'ya göre 10-20 kat daha fazladır. Bunun nedeni, oksijen radikallerine daha fazla maruz kalması, koruyucu ve tamir sistemlerinin yokluğu dolayısıyladır. Bu yüzden mt-DNA mutasyonlara daha açıktır.

Mitokondrial DNAnın bir özelliği de evrimin aydınlatılmasında kullanılmasıdır. Nükleer DNA'ya göre daha fazla mutasyona uğrayan mt DNA mutasyonlarının hızı 1 milyon yıllık süreçte ortalama % 2-4 oranındadır: Eğer iki organizma arasında % 1 oranda mt.DNA farklılığı varsa bu 250.000-500.000 yıl önce bu iki organizmanın farklılaşmaya başladığını gösterir. Ek olarak nükleer genin her jenerasyonda farklı rekombinasyon göstermesi evrim çalışmalarında zorluk yaratırken, mt.DNA'nın homoplazmik oluşu kullanılabilirliğini artırır. Mt.DNA bu özelliklerinden dolayı 1987 yılından itibaren, modern insanın filogenetik çalışmalarında kullanılmaya başlanmıştır.

Her organ sisteminin yaş ve aktivitesiyle de ilişkili olarak, değişik oranlarda mitokondrial enerjiye ihtiyacı vardır ve farklı miktarlarda mitokondri içerir. Yine her doku farklı miktarlarda normal ve mutant mitokondrial DNA içerir. Dokuda mutant genomların oranı ne kadar fazla ise ATP üretimi o denli yetersizleşir ve doku-organ disfonksiyonları başlar. Doku veya organın enerji metalobizmasında yetersizliğe yol açacak, disfonksiyona neden olacak minumum mutant mt-DNA miktarına EŞİK DEĞER (threshold effect) denir. Eşik değer, doku ve yaşa göre değişir. Örneğin beyin ve kas hücreleri daha fazla enerji ihtiyacı içindedir ve gelişmekte olan çocuklarda da daha aktiftir. Bu organlarda düşük miktarda mutant mt-DNA semptomatik olabilirken, daha yüksek oranda mutant mt-DNA örneğin karaciğerde semptom vermeyebilir. Sonuçta mutant ve normal genomların oranı, doku tipi, yaş, enerji ihtiyacı gibi faktörler fenotipi belirleyerek mitokondrial hastalık dediğimiz bir grup hastalığa neden olur.
Mitokondri üre siklusu, glukoneogenezis, oksidasyon, krebs siklusu ve en önemlisi de oksidatif fosforilasyon fonksiyonunda görevli yüzlerce protein içerir. Herhangi bir nedenle oluşacak mitokondrial disfonksiyon tüm sistemleri etkileyecek ve eşik değere (threshold effect) göre semptomlarını verecektir.